引言

相态是冬季降水预报中的重要要素之一，相态判断准确与否往往决定一次降水过程预报服务的成败。同样的降水量不同的相态产生的影响有显著差异。9 mm的降水，如果降水性质为液态，则为小雨，影响很小，若降水性质为固态，则成为大到暴雪，属于灾害性天气。降水的相态类型取决于特定的大气条件，包括热力、水汽分布、垂直运动、云和冰核分布等。国外侧重于温度垂直廓线和厚度对降水相态的影响。一些研究认为，温度垂直廓线对降水类型起主导作用(Bocchieri, 1980; Czys et al, 1996)。有时候，温度仅变化1℃就足以使得降水相态发生转变。Pierre(2000)的研究给出了不同降水类型和典型的温度廓线关系，其实质为降水相态取决于温度厚度。他认为，如果高空大于0℃的暖层很薄，降水形态就是雪，如果冷层薄，则可能会雨雪共存，为雨夹雪。各层温度都在0℃以下，则通常是下雪，但有时可能下冻结的毛毛雨(Huffman et al, 1988)。在降水相态客观预报方法中(Joseph, 1980)，则考虑了包含垂直层的温度差、湿球温度、风场等36个预报因子来建立回归方程。近年来，北美的预报业务中广泛采用位势厚度预报降水类型(Paul et al, 1992)。我国对降水相态的判别一般依赖于特性层的温度。各地通过个例研究总结出降水相态的温度特征(李江波等，2009；郑婧等，2010；曹刚锋等，1988；孙欣等，2011；漆梁波等，2012)，涉及对流层中低层的不同层次。李江波等(2009)通过7次雨雪转换过程统计得出以下结论，当0 ℃层高度下降到950 hPa以下、地面气温在0 ℃上下、925 hPa温度≤-2 ℃、1000 hPa温度≤2 ℃, 降水将从雨逐渐向雨夹雪到雪转变。郑婧等(2010)认为江西的大雪发生区域，80%以上的样本满足1000 hPa温度＜1℃，925~850 hPa温度≤-2℃，700 hPa温度≤0℃的规律。曹钢锋等(1988)曾利用山东1971—1979年的资料统计认为当济南850 hPa的温度≥-2℃时，降雨的可能性为94%，≤-5℃时降雪的可能性为100%，在-4~-3℃之间可能降雨也可能降雪。孙欣等(2011)认为地面降水的相态是由云系的高低与下落过程中的层结状态、温度垂直结构及低层锋区位置决定的。漆梁波等(2012)的研究开始关注厚度，给出了我国东部冬半年降水相态温度和厚度的综合识别指标，为降水相态的研究和预报业务开拓了新思路。各地总结出的指标在预报业务中发挥了重要作用，按照这些指标，可以准确预报出多数降水过程的相态。

从以上研究可以看出，各地降水相态的温度预报指标不一而足，可能和地域差异有关，有必要深入开展本地的降水相态温度预报指标研究。就山东而言，近年来出现的一些降水过程对传统的温度预报指标提出挑战。例如，2010年2月28日20时青岛850 hPa的温度为-8℃，降水性质仍为降雨。这就使得我们思考，仅使用单一特性层温度作为预报指标是否具有局限性？为什么多数情况下850 hPa为-4℃的温度阈值指标适用，而有些个例却难以奏效？适用的个例和特殊的个例各有什么特点？实际业务中还发现，相态预报失误的降雪过程多产生在回流形势或江淮气旋系统影响下，其温度有时候不符合传统阈值。那么，降水相态是否与影响系统有关？基于这些问题，本文采用近13年的观测资料针对山东的降水相态条件开展较深入研究，从影响系统和温度的垂直变化两个方面探索预报指标，为降水相态预报提供参考。

1 资料与分析方法

本文使用了山东济南和青岛两个测站1999—2011年11月至次年3月的探空和地面实测资料，均为业务常用资料。其中，探空资料包括08和20时两个时次的700、850、925和1000 hPa 4个层次，地面资料包括每天8个时次：02、05、08、11、14、17、20和23时。

统计时，首先普查每天3 h间隔的地面天气图，记录每个观测时次的降水天气现象(雨、雪、雨夹雪、米雪或冰粒)，只要一天中有一个时次天气现象出现雪、米雪或雨夹雪，就将其列为降雪日。统计降雪日各层温度时，地面图上首次出现降雪时刻的温度作为降雪的地面温度，转雪前一降雨时刻的温度为雨转雪过程降雨的地面温度；高空的温度按照就近原则，如果正好发生在08或20时，则统计该时刻各层的温度，否则以降雪发生之后最近探空时刻的各层温度作为降雪的高空温度，转雪之前最近探空时刻的各层温度为雨转雪过程降雨的高空温度。温度均四舍五入取整。700、850、925、1000 hPa和地面的温度分别表示为T₇₀₀、T₈₅₀、T₉₂₅、T₁₀₀₀和T_地面。T₇₀₀只在分析冰粒温度特征时使用。

2 影响系统与降水相态的关系

统计表明，山东降雪过程分为两类，一类为直接降雪过程，是指降雪过程开始有降水发生时就直接降雪，期间无相态变化；另一类为雨雪转换过程，是指降水过程中有相态变化，存在先降雨后转雨夹雪或雪，或者先降雪后转雨，降雪过程中可出现雨、雪、雨夹雪、米雪或冰粒等相态。济南和青岛在1999—2011年11月至次年3月共有300个降雪日，发生在220次过程中，其中有260日为直接降雪，40日存在雨雪转换。济南的雨雪转换过程主要发生在2和11月，青岛则多在1和3月。

为分析冬半年降水相态与影响系统的关系，表 1给出了220次降雪过程分量级的降水相态及其影响系统。根据表 1分析不同量级降雪的相态。可以看出，11次暴雪(日降水量≥10 mm)过程均存在雨雪转换；24次大雪(5.0 mm≤日降水量≤9.9 mm)过程有15次存在雨雪转换，占大雪过程的63%；中雪以下(日降水量≤4.9 mm)的一般性降雪过程中，直接降雪占92%。可见不同量级的降雪相态差异很大，暴雪和大部分大雪过程都存在相态变化，中雪以下的一般性降雪过程以直接降雪为主，较少涉及相态转换。另外，9次直接降雪的大雪过程青岛只占两次，其他的都发生在济南，说明降水相态还与地域有关。由于青岛纬度较济南偏南且地处沿海，受南支系统影响更大，温度高导致降雪过程多存在雨雪转换。

从影响系统看，山东冬半年降雪过程的影响系统有：低槽冷锋、回流形势、江淮气旋、黄河气旋和切变线(低涡)。其中，大雪以上强降雪的影响系统以回流形势和江淮气旋为主，共占66%(23/35)，中雪以下的一般性降雪影响系统则低槽冷锋占绝对优势。可见，降雪大小与影响系统有关。220次降雪过程中，江淮气旋均存在雨雪转换，低槽冷锋、黄河气旋和切变线多产生直接降雪，尤其是低槽冷锋直接降雪比例高达89%(119/133)。细分不同量级降雪过程的影响系统和相态，11次暴雪的影响系统有回流形势和江淮气旋两类，均存在雨雪转换。在产生大雪的影响系统中，5次江淮气旋均存在雨雪转换；回流形势大雪的雨雪转换过程占到同类别的71%；切变线(低涡)大雪以直接降雪为主，占80%；低槽冷锋和黄河气旋大雪直接降雪和雨雪转换的比例相当。中雪以下降雪过程的影响系统中，回流形势均产生直接降雪，低槽冷锋、黄河气旋和切变线(低涡)产生的中雪以下降雪多为直接降雪。这是由于江淮气旋和回流形势下的强降雪过程，南支槽强盛，对流层中层存在较强暖湿气流，降水前期中低层通常存在逆温，在降水过程中中层先增暖后降温，从而导致雨雪相态的转变。因此，江淮气旋和回流形势强降雪过程的相态不易把握(李青春等，2011；侯瑞钦等，2011)。而低槽冷锋、回流形势、黄河气旋和切变线产生的弱降雪过程，一般南支槽偏南或偏弱，北支槽或中支槽占主导地位，对流层中层暖湿气流不显著，导致中低层温度低，因此直接产生降雪。

3 两类降雪的温度垂直分布特征 3.1 所有降雪过程的温度特征

首先来看300个降雪日温度的总体情况。表 2给出了这些降雪日降雪时对应各层温度阈值，降雪个例所占的百分比。从中可以看到，在降雪时，90%的个例T₈₅₀≤-4℃，90%的个例T₉₂₅≤-3℃，95%的个例T₉₂₅≤-2℃，91%的个例T₁₀₀₀≤0℃，92%的个例T_地面≤1℃。这个结果与漆梁波等(2012)采用多个样本统计的结果略有差异，其中T₉₂₅≤-2℃高出5%，这可能与所选择代表站的地域差异有关，同时也说明T₉₂₅≤-2℃是多数情况下判别降雪的一个较为可靠的特性层温度指标。

300个降雪样本中，产生降雪时各层最高温度：T₈₅₀≤0℃，T₉₂₅≤0℃，T₁₀₀₀≤2℃，T_地面≤3℃。也就是说，如果各层的温度超过这个最高限值，将不会产生降雪。

3.2 直接降雪的温度特征

1999—2011年济南和青岛的直接降雪日数为260个，占总日数的87%，说明冬半年降水以直接降雪为主。统计发现，直接降雪时，89%的个例T₈₅₀≤-5℃，94%的个例T₈₅₀≤-4℃，93%的个例T₉₂₅≤-3℃，97%的个例T₉₂₅≤-2℃，92%的个例T₁₀₀₀≤0℃，91%的个例T_地面≤1℃(表 3)。可见，850 hPa以下各层温度阈值所占比例都在90%以上，直接降雪过程在对流层低层的温度场表现出了较高的共性特征，因此各层温度可作为预报指标。将直接降雪日与所有降雪日的温度情况进行比较分析，发现直接降雪日地面及高空各层≤0℃的百分比较所有降雪日的均增大了1%以上，而T_地面≤1℃的百分比减小了1%。尤其是T₈₅₀≤-4℃的日数百分比达到94%，较所有降雪日高4%，其次是T₉₂₅≤-3℃的百分比也明显提高了。这说明直接降雪要求各层的温度更低，在各层温度低的情况下，容易满足降雪温度阈值条件，可以直接判别为降雪。

3.3 雨雪转换的温度特征

40次雨雪转换过程中，包括36次雨转雪和4次雪转雨过程，其中有10次过程产生雨夹雪，5次过程有冰粒。这种有雨雪相态转换和直接降雪的过程在温度场上有什么差异？在相态转换前后，各层温度是怎样变化的？以下做统计分析。

3.3.1 降雨

表 4给出了雨转雪之前降雨的各层温度特征。降水形态为雨时，对应850和925 hPa的各温度阈值降雨个例所占比例一般不超过70%，有18%的日数T₈₅₀≤-5℃，T₈₅₀≤-4℃的日数占34%；T₉₂₅≤-2℃的日数占总数的24%，有45%的日数T₉₂₅≥1℃；92%的日数T₁₀₀₀≥1℃，83%的日数T₁₀₀₀≥2℃；T_地面≥1℃的日数占87%，74%的日数T_地面≥2℃。这说明在雨雪转换过程中，近地面层的温度对降雨的指示性较好，T₁₀₀₀≥1℃降雨可能性大，可作为降雨温度阈值指标，其次是地面温度，一般T_地面≥2℃为降雨。相比之下，在雨雪转换过程中，T₈₅₀ ≤-4℃和T₉₂₅≤-2℃温度条件下产生降雨的可能性仍较大，因此通常将这两个温度值作为雨雪转换的阈值指标并不可靠，850和925 hPa两个层次的温度对于相态没有明显指示性。

进一步分析T₈₅₀≤-5℃仍然产生降雨的8个个例的低层温度。发现有5例的925 hPa温度低于-2℃，1000 hPa和地面的温度较高，其中1000 hPa温度均在3℃以上，有6例地面温度在3~4℃之间，2例分别为0和2℃。这表明，虽然850和925 hPa的温度达到一般降雪温度的阈值，但雪晶或冰晶下落至925 hPa以下时，由于1000 hPa温度高，雪晶或冰晶融化无法到达近地面，因而产生降雨。可见1000 hPa的温度对于降水相态有关键影响，应作为雨雪转换过程相态预报的重要因素。

3.3.2 降雪

转雪时各层温度特征可从表 5中获得。雨雪转换日中有68%的个例T₈₅₀≤-4℃，82%的个例T₉₂₅≤-2℃，84%的个例T₁₀₀₀≤0℃，90%的个例T_地面≤1℃。由此可见，只有近地面层温度显示出明显特点，即转雪时一般T₁₀₀₀≤0℃，T_地面≤1℃，对相态识别有参考价值。雨雪转换过程中850和925 hPa温度的温度阈值指标所占比例明显小于直接降雪，说明这两层温度对转雪也没有显著指示性，仅单层的高空温度似乎无法作为雨转雪的判据。

三个转雪后不满足T_地面≤1℃的个例均发生在青岛。925 hPa以上的温度都低于-5℃，T₁₀₀₀≤-1℃，说明0℃层的高度已接近地面，雪在降落至近地面时不会融化。这同时说明了如果地面的温度较高，产生降雪的必要条件是1000 hPa的温度低于0℃。

3.3.3 雨夹雪

济南和青岛的10次有雨夹雪的降雪过程中，有7次为雨转雨夹雪，2次为雪转雨夹雪，1次为雨夹雪转雪。可见雨夹雪发生在有雨雪相态转换的降水过程中，不会单独出现。从发生地域来看，青岛出现9次，济南仅1次，这可能与青岛位置更偏南且地处沿海有关，青岛更易受南方系统影响温度较高导致出现雨夹雪。

青岛有4次雨夹雪正好发生在08或20时(表 6)。统计发现这几个个例的共同特征为：产生雨夹雪时，1000 hPa和地面的温度在1~2℃；有3次过程的0℃层高度在1000和925 hPa之间，1次过程高于925 hPa，这表明雨夹雪的低层温度基本介于降雨和降雪之间。更高层次的温度差异较大，如2000年1月22日和2002年3月5日850 hPa的温度分别为-7和-6℃，925 hPa分别为-3和-2℃，和降雪的温度类似，而2001年11月10日850 hPa的温度却为-1℃，接近于降雨的温度。这4次雨夹雪个例的850 hPa温度似乎与经验预报指标(-3~-2℃)有差异。由于统计的样本少，可能不具有普适性，但也说明了雨夹雪在温度场上的复杂，单纯依靠某一层的温度不能断定是否产生雨夹雪。

3.3.4 冰粒

冰粒是由直径小于5 mm的透明或半透明的丸状或不规则状的冰粒子组成的较硬的固态降水，是冻结的雨滴或大部分融化后再冻结的雪团，或是包在薄冰壳里的霰。一般认为冰粒概念模式遵循“冰晶层-暖层-冷层”，在中国东部中层暖层主要处在700~850 hPa，冷层的平均最低气温在-4℃附近(漆梁波等，2012)。由于温度层结的复杂性，冷暖层高度相对厚薄都影响到是否能形成冰粒(Pierre, 2000; John et al, 1995)，因此准确识别冰粒是不容易的。本文试图利用有限的个例寻找山东冰粒温度场的基本特征。

1999—2011年间，济南和青岛有记录的冰粒过程为5次，其中济南4次。与雨夹雪类似，山东冰粒也出现在有雨雪相态转换的过程中，为雨雪转换时的过渡状态。因其通常持续时间短，不易被观测到。分析4次冰粒正好发生在有探空时次的降雪过程。发现冰粒过程发生在对流层中层西南暖湿气流强盛的环流形势下，700 hPa以下的温度均≥-4℃。700 hPa的温度较高，在-3~-1℃之间，远远高于降雪时700 hPa的温度(一般低于-6℃)，这是冰粒在温度场上最为显著的特征。4次过程850 hPa温度差别不大，在-4~0℃之间。而925 hPa以下特征不明显，有的过程接近于降雨，如有两次925 hPa以下的温度大于1℃，1000 hPa至地面的温度在2~3℃，而有的过程与降雪类似，两次地面温度为0℃。因此，从本文的个例来看，判别冰粒可主要参考700 hPa暖层的温度，其次为850 hPa。

3.3.5 雨雪转换前后的0℃层高度

冰晶、雪晶等固态降水粒子在温度为零下的云中形成，当固态粒子从高空降落，如果降到近地面层不融化则降水形式为雪，否则为雨，而能否融化取决于近地面层的温度。因此，迈克尔·阿拉贝(2006)认为，雪的形成要求云层下面1000英尺(300 m)大气层的温度不能高于冰点。按照他的观点，雨雪转换过程的相态最需要关注的是0℃层高度。分析济南和青岛40次雨雪转换前后降雨和降雪的0℃层高度，发现降雨时，有18例0℃层高度＞925 hPa，占总数的45%，55%的个例0℃层高度在1000~925 hPa之间，接近于925 hPa。转雪时，0℃层高度≤1000 hPa的有34例，占总数的85%，其余个例的0℃层高度在1000~925 hPa之间，接近于1000 hPa。可见，由降雨向降雪转换的过程中，0℃层的高度明显降低了，降雪时的0℃层高度多降至1000 hPa以下，而降雨的0℃层高度则高于925 hPa或在925 hPa上下。如果转换为特性层温度，当T₉₂₅＞0℃时，为降雨, 当T₁₀₀₀≤0℃时，雨转雪。

但是，当0℃层高度在1000~925 hPa之间时，即T₁₀₀₀＞0℃且T₉₂₅＜0℃时，可产生降雪，也可以产生降雨，那么在这种情况下，如何判别降雨和降雪呢？进一步分析此类个例的温度场，发现两者1000 hPa以下温度有明显差别。即降雨时，T₁₀₀₀和T_地面至少有一层≥3℃，而降雪时T₁₀₀₀和T_地面均在0~1℃之间。

从以上40个个例的统计结果可以看出，对于有相态转换的降雪过程，925 hPa以下至地面的温度最为关键。这个结果与一些雨雪转换的个例分析基本一致(许爱华等，2006；张立等，2010)，通过数值模拟也得到证实(周雪松等，2008)。如果使用特定层温度作为预报指标，将925 hPa以下各层与地面的温度结合起来判别雨雪相态转换，较使用单一特性层温度更为可靠。当各层温度满足以下条件之一为降雨：(1)T₉₂₅＞0℃；(2)T₁₀₀₀＞0℃且T₉₂₅＜0℃时，同时T₁₀₀₀和T_地面至少有一层≥3℃。当各层温度满足以下条件之一时转为降雪：(1)T₁₀₀₀≤0℃；(2)T₁₀₀₀＞0℃且T₉₂₅＜0℃时，同时T₁₀₀₀和T_地面的温度均在0~1℃之间。

4 结论

通过对山东13年220次冬半年降水过程相态的统计分析，发现降水相态与影响系统有关，有无降水相态变化降雪过程的相态温度阈值不同，各层温度相结合有助于相态识别。主要结论：

(1) 冬半年降水相态与影响系统有关，不同量级的降雪相态差异很大。所有暴雪和大部分大雪过程都存在相态变化，中雪以下的一般性降雪过程以直接降雪为主，较少涉及相态转换。在大雪以上强降雪的影响系统中，江淮气旋暴雪和大雪、回流暴雪和大部分回流大雪存在雨雪转换；切变线(低涡)大雪以直接降雪为主；低槽冷锋和黄河气旋大雪直接降雪和雨雪转换的比例相当。中雪以下降雪的影响系统中，回流形势均产生直接降雪，低槽冷锋、黄河气旋和切变线(低涡)多为直接降雪。

(2) 降雪的各层温度消空条件为：T₈₅₀＞0℃，T₉₂₅＞0℃，T₁₀₀₀＞2℃或T_地面＞3℃。

(3) 无相态转换的直接降雪过程一般发生在温度较低、垂直变化单一的条件下，850 hPa以下各层均有明显降雪温度阈值：T₈₅₀≤-4℃，T₉₂₅≤-3℃，T₁₀₀₀≤0℃或T_地面≤1℃。

(4) 济南的雨雪转换过程主要发生在2和11月，青岛则多在1和3月。在雨雪转换过程中，850和925 hPa的温度对于相态变化没有明显指示性，1000 hPa以下的温度最为关键。将925 hPa以下各层与地面的温度结合起来判别雨雪相态转换，较使用单一特性层温度更为可靠。当各层温度满足以下条件之一为降雨：T₉₂₅＞0℃；T₁₀₀₀≥1℃；T_地面≥2℃；T₁₀₀₀＞0℃且T₉₂₅＜0℃，同时T₁₀₀₀和T_地面至少有一层≥3℃。当各层温度满足以下条件之一为雨转雪：T₁₀₀₀≤0℃；T₁₀₀₀＞0℃且T₉₂₅＜0℃，同时T₁₀₀₀和T_地面均在0~1℃之间。

(5)0℃层高度可用于雨雪转换指标：降雨时0℃层高于925 hPa或在925 hPa上下，当0℃层的高度降至1000 hPa上下时转为降雪。

(6) 雨夹雪和冰粒发生在有雨雪相态转换的降水过程中，不会单独出现。产生雨夹雪时，T₁₀₀₀和T_地面为1~2℃，0℃层高度多在1000~925 hPa，其特征介于降雪和降雨之间，但850 hPa的温度差异较大，有的具有降雪特征，有的接近降雨。冰粒在温度场上的显著特征为700 hPa的温度较高，在-3~-1℃之间。

总之，冬半年降水相态预报应综合考虑影响系统和各特性层温度等因素。其预报着眼点为，首先分析天气形势及其配置，确定影响系统，以初步判断是否会出现相态转换；然后综合分析对流层低层各层温度识别降水相态，对于有相态转换的过程重点关注1000 hPa至地面的温度，尤其是在江淮气旋和回流形势两种系统影响下。